Untersuchungen zum Wasserhaushalt einer Rekultivierungsschicht

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1 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 1 Untersuchungen zum Wasserhaushalt einer Rekultivierungsschicht Dr. Detlef Bendler, Rebo Umwelttechnik GmbH Das Land Sachsen-Anhalt gehört zu den Gebieten in Deutschland mit den geringsten Jahresniederschlägen. Im Raum Halle / Merseburg fallen im langjährigen Mittel etwa 515 mm Niederschlag. Das Winterhalbjahr ist mit durchschnittlich 203 mm relativ trocken, im Sommerhalbjahr werden im langjährigen Mittel 287 mm gemessen. Diese geringen Niederschlag und die günstige Niederschlagsverteilung zwischen Winter- und Sommerhalbjahr sind Voraussetzungen für den Einsatz von Wasserhaushaltsschichten für die Sicherung von Deponien /1/. Die Firma Rebo Umwelttechnik GmbH führt dazu seit vielen Jahren Untersuchungen durch : Untersuchungen an Sickerwassersammlern auf der Hochhalde Leuna seit Untersuchungen an einem Lysimeter an der TU Berlin seit Feuchtemessungen auf der Hochhalde Leuna seit HELP-Berechnungen zu den Untersuchungen in Leuna Anhand dieser Untersuchungen soll nachgewiesen werden, dass sich Wasserhaushaltsschichten für die Deponiesicherungen unter bestimmten klimatischen Verhältnissen eignen. Untersuchungen an Sickerwassersammlern auf der Hochhalde Leuna Das eingesetzte Rekultivierungssubstrat zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus : gesättigte Wasserdurchlässigkeit kf-wert 10-6 m/s Porenvolumen 0,770 mm/mm Feldkapazität 0,502 mm/mm permanenter Welkepunkt 0,271 mm/mm nutzbare Feldkapazität 23,1 Vol% Bodenart stark schluffiger Sand Die dafür genutzten Sickerwassersammler wurden von Herrn Dr. Kliche von der Universität Halle- Wittenberg entwickelt und patentiert /2/. Der Aufbau wird in Abbildung 1 gezeigt. Abbildung 1: Prinzipaufbau eines Sickerwassersammlers Die Sammler bestehen aus einem Auffangbehälter mit 1 m² Grundfläche. Der Behälter ist konisch gearbeitet und mit Kies gefüllt. In der Mitte des Sammlers ist ein Sammelstutzen angebracht, in den

2 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 2 das Sickerwasser durch Öffnungen fließen kann. Dieser Sammelstutzen kann beliebig nach oben verlängert werden. Die Probenahme erfolgt durch dieses Rohr. Bei unseren Untersuchungen wurde monatlich der Sammler kontrolliert, beim Auftreten von Sickerwasser, dieses vollständig abgepumpt, die Menge bestimmt und chemisch untersucht. Der Sammler wird direkt auf den Deponieuntergrund (hier Asche) aufgebracht und danach das Rekultivierungssubstrat normal eingebaut. Im Frühjahr 2003, also nach 8 Jahren Betrieb, wurde von uns ein Sammler aufgegraben. Dabei konnte festgestellt werden, dass weder die Einlassöffnungen verstopft, noch der Kies verschlammt war, wodurch ein einwandfreies Funktionieren des Sammlers gewährleistet ist. Nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse für 3 Sammler in unterschiedlichen Tiefen (Sammler 1 in 2,0 m, Sammler 2 in 1,60 m, Sammler 3 in 1,0 m ) seit Tabelle 1: Sickerwassermengen und Niederschlag seit 1996 Sammler 1 Sammler 2 Sammler 3 Niederschlag Jahr mm % mm % mm % mm ,4 0,51% 6,05 1,30% 8,1 1,73% ,9 3,36% 9,9 1,76% 18,9 3,36% ,4 1,13% 2,5 0,44% 13 2,29% ,45 0,33% 3,7 0,85% 4,9 1,12% ,95 0,23% 1,6 0,38% 6,5 1,56% ,3 0,44% 5,3 1,01% 9,75 1,86% ,6 0,46% 10,4 1,32% 5,8 0,74% ,9 0,57% 2,1 0,63% 3,8 1,14% 334 Durchschnitt 4,74 0,93% 5,19 1,01% 8,84 1,73% 512 Der durchschnittliche Niederschlag in den 8 Jahren entspricht mit 512 mm genau dem langjährigen Mittel für diese Region. Im Messzeitraum ist ein extrem niederschlagreiches (2002) und ein sehr trockenes Jahr (2003) enthalten, so dass die Untersuchungen als repräsentativ gewertet werden können. Im Durchschnitt wurden 4 bis 10 Liter Sickerwasser pro Jahr gemessen, was etwa 1 bis 2 % des Jahresniederschlags entspricht. Ebenso ist über die Jahre hinweg keine signifikante Veränderung des Wasserspeichervemögens festzustellen. Untersuchungen an einem Lysimeter an der TU Berlin Um unsere Ergebnisse mit den selbstgebauten Sickerwassersammlern auf der Hochhalde Leuna zu verifizieren, haben wir uns um entsprechende Lysimeteruntersuchungen bemüht. Im Herbst 2001 haben wir gemeinsam mit der TU Berlin und dem Ingenieurbüro pedotec auf der Lysimeteranlage in Berlin Dahlem die Untersuchungen begonnen. Die Anlage in Dahlem verfügt über eine eigene Wetterstation, auf der sämtliche Parameter wie Niederschlag, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung, potentielle Verdunstung usw. erfasst werden. Das Lysimeter hat eine Grundfläche von 1 m² und wurde mit 1,40 m Rekultivierungssubstrat aus Leuna befüllt. Das Lysimeter steht auf einer Waage, so dass Gewichtsveränderungen, gemessen werden können. Damit ist man in der Lage Gewichtszunahmen durch Niederschlag und Gewichtsabnahmen durch Verdunstung, Transpiration und austretendes Sickerwasser (wird ebenfalls gewogen) festzustellen. Begleitet wurden die experimentellen Untersuchungen durch Berechnungen mit dem HELP-Modell. Diese Berechnungen wurden von Herrn Dr. Markwardt (pedotec GmbH) durchgeführt /3,4/.

3 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 3 Die Tabellen 2 und 3 zeigen die Ergenisse der Lysimetermessungen im Vergleich zu den Berechnungen mit dem HELP-Modell für die Jahre 2002 und Tabelle 2 : Vergleich Lysimetermessungen und HELP-Berechnungen 2002 Niederschlag (N 0m ) Versickerung aktuelle Verdunstung 2002 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Monat kumu- kumu- kumu- kumu- kumuliert liert liert liert liert Jan ,5 15,5 19,2 19, ,4 7,4 Feb 92,6 133,6 58,6 74,1 60,4 79,6 17,6 26,6 15,8 23,2 Mrz 46,7 180, , ,7 62,3 31,4 54,6 Apr 47,2 227,5 13, , ,9 95, ,6 Mai 65,3 292,8 10, , , ,8 174 Jun 45,7 338,5 4, , Jul 71,7 410,2 1, , ,7 397 Aug 255, , , , Sep 41,1 707,1 4, , ,3 588 Okt , , , ,3 618 Nov 54,1 867, , , Dez 17,2 884,4 16, , , ,6 628 Tabelle 3: Vergleich Lysimetermessungen und HELP-Berechnungen 2003 Niederschlag (N 0m ) Versickerung aktuelle Verdunstung 2003 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Monat kumu- kumu- kumu- kumu- kumuliert liert liert liert liert Jan 74,1 74, ,1 64,1 5,8 5,8 5,6 5,6 Feb 8,1 82, ,6 81,7 8 13,8 10,2 15,8 Mrz 26,2 108,4 17,6 91, ,7 16,7 30,5 20,2 36 Apr 22,3 130,7 7,9 99,5 0 96,7 45,6 76,1 27,4 63,4 Mai 33,5 164,2 3, ,7 112, ,6 161 Jun 69,6 233,8 0, ,7 81, Jul 46,3 280,1 0, ,7 94, Aug 30,4 310,5 0, ,7 73, ,4 462 Sep 35,7 346,2 0, ,7 51, ,4 507 Okt 56,9 403,1 0, ,7 26, ,6 534 Nov 38, ,7 11, ,7 543 Dez 45,4 487, ,7 11, ,6 548 Mit 884 mm Jahresniederschlag war das Jahr 2002 auch in Berlin ein extrem feuchtes Jahr. Die gefundenen und berechneten Sickerwassermengen stimmen sehr gut überein. Das Gleiche gilt für die aktuelle Verdunstung. Gleichzeitig erkennt man hier die Grenzen für die Anwendung einer Wasserhaushaltsschicht in Regionen, wo derart hohe Jahresniederschläge zu verzeichnen sind. Mit dem Jahr 2003 folgte ein für Berliner Verhältnisse relativ trockenes Jahr. Auch hier findet man eine sehr gute Übereinstimmung der gefundenen und berechneten Sickerwassermengen. Bei etwa 500 mm Jahresniederschlag wurden 100 mm Sickerwasser gemessen. Dieses Sickerwasser resultiert jedoch im wesentlichen aus den hohen Niederschlagsmengen im Jahr Anhand der Lysimeteruntersuchungen ist man in der Lage die HELP-Berechnungen für das verwendete Substrat

4 Feuchte in % Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 4 so zu eichen, dass man davon ausgehen kann, dass die HELP-Rechnungen auch für andere Standorte das Bild des Wasserhaushalts korrekt widerspiegeln. Feuchtemessungen auf der Hochhalde Leuna Seit Herbst 2003 führen wir auf der Hochhalde Leuna Feuchtemessungen des Rekultivierungssubstrates durch. Dazu haben wir Messsonden in unterschiedlichen Tiefen (30 cm, 80 cm, 130 cm) eingebaut. Die Messungen basieren auf unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen von Wasser und Boden. Die Genauigkeit beträgt 2 Vol%. Da wir nur Feuchtigkeitsunterschiede bestimmen wollen, reicht diese Genauigkeit völlig aus. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Ergebnisse. Abbildung 4: Feuchtemessungen Oktober 2003 bis November ,0 53,0 48,0 43,0 38,0 33,0 28,0 23,0 18,0 1 (30 cm) 2 (80 cm) 3 (130 cm) Abbildung 5: Niederschlag Oktober 2003 bis November 2004 Niederschlag in Leuna (mm) Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. Mrz. Apr. Mai. Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov.

5 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 5 Im Diagramm ist sehr gut die Beeinflussung der oberen Bodenschicht zu erkennen. Zu Beginn der Messungen im Oktober 2003 war aufgrund des sehr trockenen Sommers der permanente Welkepunkt annähernd erreicht. Danach steigt der Wassergehalt allmählich wieder an, bis dann in 30 cm das Wasseraufnahmevermögen erreicht ist. In den unteren Schichten ist keine Veränderung festzustellen. Etwa 2 Monate nachdem bei 30 cm die maximale Feuchte erreicht war, steigt der Wassergehalt auch bei 80 cm stark an. Zu diesem Zeitpunkt traten auch die Sickerwasserereignisse in den Sickerwassersammlern auf (siehe Tabelle 1). Die Feuchte der Schicht bei 130 cm ändert sich wenig. Mit Beginn des Frühjahrs und der Vegetationsperiode trocknen die beiden oberen Schichten allmählich wieder aus. Ende Juli hatten wir in Leuna ein extremes Niederschlagsereignis. Innerhalb von 4 Tagen fielen knapp 100 mm Niederschlag. Das führte zu einer schlagartigen Erhöhung des Wassergehaltes in allen Schichten. Offenbar kann bei so hohen Niederschlägen in kürzester Zeit das Wasser nicht gespeichert werden, sondern läuft durch. Zu diesem Zeitpunkt wurde ebenfalls Sickerwasser gemessen. Man sieht jedoch auch, dass die oberen Schichten relativ schnell wieder austrocknen. Wie im vergangenen Jahr steigt der Feuchtegehalt der oberen Schicht Anfang Dezember wieder stark an. Anhand dieser Messungen lässt sich das Funktionsprinzip einer Wasserhaushaltsschicht gut darstellen und damit lassen sich sichere Vorraussagen über die Anwendungsmöglichkeit einer solchen Schicht treffen. HELP-Berechnungen zu den Untersuchungen in Leuna Durch die Lysimeterversuche an der TU Berlin konnte das HELP-Modell für das verwendete Rekultivierungssubstrat geeicht werden. Die Tabellen 4 und 5 zeigen die gefundenen und berechneten Werte für das Sickerwasser und die berechneten Werte für die aktuelle Verdunstung. Für das außergewöhnlich feuchte Jahr 2002 mit 774 mm Niederschlag wurden experimentell 10, 4 mm Sickerwasser gefunden, das HELP-Modell zeigt jedoch noch kein Sickerwasser an (siehe Tabelle 4). Tabelle 4: experimentelle und berechnete Werte für die Versickerung in Leuna 2002 Niederschlag (N 0m ) Versickerung aktuelle Verdunstung 2002 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Monat kumu- kumu- kumu- kumu- kumuliert liert liert liert liert Jan ,6 1, Feb 28,1 41,1 1,1 2, ,9 27,9 Mrz 30,6 71,7 0,1 2, ,9 65,8 Apr 43,8 115,5 0,3 3, Mai 52,3 167,8 0 3, Jun 58,1 225,9 0 3, Jul 100,7 326,6 0, Aug 88,5 415,1 5,6 9, Sep 57,1 472,2 0,3 9, ,2 642 Okt 49,9 522,1 0 9, ,9 682 Nov 136,7 658,8 0 9, ,3 693 Dez 115,3 774,1 0,5 10, ,2 696 Die Tabelle 5 für das Jahr 2003 weist aber aus, dass mittels des HELP-Modells für Januar und Februar 2003 Sickerwasser berechnet wurde. Betrachtet man beide Jahre (Tabelle 4 und Tabelle 5)

6 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 6 so zeigt sich mit experimentell gefundenen 12,5 mm und berechneten 20,3 mm Sickerwasser eine sehr gute Übereinstimmung. Tabelle 5: experimentelle und berechnete Werte für die Versickerung in Leuna 2003 Niederschlag (N 0m ) Versickerung aktuelle Verdunstung 2003 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) Monat kumu- kumu- kumu- kumu- kumuliert liert liert liert liert Jan 44,6 44,6 2,1 2,1 11,4 11, ,1 9,1 Feb 8 52,6 0 2,1 8,9 20, ,5 23,6 Mrz 19,7 72,3 0 2,1 0 20, ,4 63 Apr 20,5 92,8 0 2,1 0 20, ,2 111 Mai 33,1 125,9 0 2,1 0 20, ,2 206 Jun ,9 0 2,1 0 20, Jul 57,3 247,2 0 2,1 0 20, ,8 440 Aug 22,5 269,7 0 2,1 0 20, ,6 528 Sep ,7 0 2,1 0 20, ,7 598 Okt 35,5 362,2 0 2,1 0 20, ,8 625 Nov 33, ,1 0 20, ,3 636 Dez 20,8 416,8 0 2,1 0 20, ,5 642 Nachfolgende Abbildung 6 zeigt die Veränderung der Bodenfeuchte im Laufe des Jahres Im Januar war die Feldkapazität des verwendeten Substrates erreicht und es kam zu Versickerungen Danach nahm die Bodenfeuchte kontinuierlich ab und gegen Ende des Jahres wieder zu. Dieser Verlauf konnte auch durch die Feuchtebestimmugen bestätigt werden. Abbildung 6: berechnete Bodenfeuchteänderung für das Rekultivierungssubstrat in Leuna 2003 Anhand der vorgestellten Ergebnisse wird deutlich, dass sich die HELP-Berechnungen sehr gut eignen, um Vorraussagen zu treffen, ob sich ein bestimmtes Rekultivierungssubstrat für einen ausgewählten Standort eignet. Diese Aussage soll anhand der Tabellen 6 und 7 verdeutlicht werden. Tabelle 6 zeigt den mittleren Jahresniederschlag für einen Zeitraum von 10 Jahren für Merseburg und die daraus berechneten Werte für Oberflächenabfluss, Versickerung und Bodenfeuchteänderung. Man erkennt, dass bei einem mittleren Niederschlag von 515 mm für 2 von 10 Jahren eine Versickerung

7 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 7 berechnet wurde. Es wurde festgestellt, dass ca. 2% des Niederschlags versickert. Dagegen zeigt Tabelle 7, dass für den Standort Meiningen mit einem mittleren Jahresniederschlag von 683 mm für jedes Jahr eine Versickerung berechnet wurde. Es wurden durchschnittlich 19 % Sickerwasser ermittelt. Tabelle 6: Mittlerer Jahresniederschlag und berechnete Versickerung für den Standort Leuna Jahr Mittel (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)/(%) Niederschlag /100 Oberflächenabfluss /0 aktuelle Verdunstung /101 Versickerung /2 Bodenfeuchteänderung (-141) Tabelle 7: Mittlerer Jahresniederschlag und berechnete Versickerung für den Standort Meiningen Jahr Mittel (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)/(%) Niederschlag Oberflächenabfluss / 0 aktuelle Verdunstung / 80 Versickerung / 19 Bodenfeuchteänderung Zusammenfassung Anhand dieses Beispiels ist zu erkennen, dass sich Wasserhaushaltsschichten als alleiniges Dichtungssystem nur für bestimmte Standorte eignen. Das Land Sachsen-Anhalt ist aufgrund der klimatischen Verhältnisse ein bevorzugter Standort für den Einsatz von Wasserhaushaltsschichten. Die relativ geringe Niederschlagsmenge und die trockenen Winter sind eine ideale Vorraussetzung für derartige Wasserhaushaltsschichten zur Abdeckung von Deponieoberflächen. Der Vortrag sollte zeigen, dass durch einfache Feldversuche in Verbindung mit HELP-Berechnungen die Wirksamkeit einer Wasserhaushaltsschicht nachgewiesen werden kann. Damit die Wirksamkeit von Wasserhaushaltschichten auch garantiert werden kann, sollten bei der Auswahl des Materialsund beim Aufbau bestimmte Grundsätze beachtet werden. Die derzeitige Praxis von verschiedenen Baustellen Erdaushub zusammenzutragen und einzuplanieren halte ich zumindest für überprüfenswert. Wichtig ist ein möglichst homogenes Material schichtenweise mit schonender Erdbautechnik aufzubringen. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass das Wasserspeichervermögen des Substrates über lange Zeit erhalten bleibt. Das bedeutet, dass nur ausgereifte Substratgemische eingesetzt werden können. Weiterhin soll auf eine gründliche Vorbereitung mit entsprechenden Feldversuchen und eine fachgerechte Überwachung bei der Auswahl und dem Einbau des Materials geachtet werden. Unter Beachtung all dieser Vorraussetzungen sind Wasserhaushaltsschichten eine kostengünstige Alternative für ausgewählte Deponiesicherungsmaßnahmen.

8 Leipziger Deponiefachtagung 2005 B 10 - Seite 8 Literatur /1/ Poster, DEPOTECH 2002, Bendler, D., Kliche, H., Markwardt, N., Wasserhaushaltsuntersuchungen an einer Deponieabdeckschicht /2/ Fluid-Sammelvorrichtungen, geprüftes Patent DE C 2 /3/ Lysimeteruntersuchungen und Wasserhaushaltsberechnungen für das temporäre Ein- Schicht-Abschirmsystem tesda der Rebo Umwelttechnik GmbH - Kurzbericht - Norbert Markwardt, pedo tec GmbH, Juni 2003 /4/ Lysimeteruntersuchungen und Wasserhaushaltsberechnungen für das temporäre Ein- Schicht-Abschirmsystem tesda der Rebo Umwelttechnik GmbH - 2. Kurzbericht - Norbert Markwardt, pedo tec GmbH, März 2004